应用简介

超导量子计算是实现可扩展容错量子计算机最有前途的技术之一。在过去的二十年中，超导量子计算取得了巨大的进步。全球范围内的大学实验室，政府机构和越来越多的私营公司均相继报导了很多重要的进展。随着该领域研究的高速发展，各机构更加致力于各自的核心竞争力：量子芯片制造，量子芯片表征或量子算法设计。

苏黎世仪器 (Zurich Instruments) 致力于提供全球首个可扩展至 100 个量子比特及以上的商用量子计算测控系统 (QCCS)。 QCCS 包含将物理层的量子比特（比如超导电路）连接到量子堆栈中的更高层（运行与量子比特类型无关的算法）所需的硬件和软件。

我们可以帮助客户应对哪些挑战？

• 量子比特控制：通过产生超低相位噪声和高带宽的控制脉冲，利用内存高效的定序器，以实现高保真度量子门操作。
• 量子态读出：单台仪器可实现多达 64 个量子比特的量子态高保真度、低延迟读取。
• 量子态反馈：通过低时延的量子态控制和读取，实现单个量子比特的重置以及全局伴随式解码等量子纠错算法。
• 可扩展的量子计算系统：通过精确时间同步，低通信延迟及支持高层量子算法的控制软件，使量子计算测控系统可轻松实现扩展，并在操作上更加便捷， 操作整个系统类似于操作一台仪器。

测量方案

QCCS 代表了控制超导量子处理器的最先进技术。它向用户提供一个完全可编程的系统，包括任意波形发生器 HDAWG，信号发生器 SHFSG，量子分析仪 SHFQA 和可编程量子系统控制器 PQSC，及控制软件 LabOne^® 用户图形界面  (GUI)， LabOne QCCS 软件，LabOne 应用程序接口 APIs，和常用软件 QCoDeS 和 Labber 的驱动 。QCCS 的主要功能包括量子芯片表征和初始化、量子门操作、多比特量子态读取和反馈。

量子比特的表征和校准

• 任务：测量量子比特跃迁频率和读取频率，表征量子比特的性能，优化单发读取保真度。
• 特点：SHFQA 量子分析仪具有两个高速读取模式适用于测量谐振腔频率和量子态读取。同样基于双超外差技术的 SHFSG 信号发生器具有功能强大的定序器，可实现单比特量子门的表征和优化。
• 优势：基于硬件平均功能和时序执行能力，实现快速多量子比特并行表征和校准。集成化，高线性度宽频微波信号的直接产生缩短了实验切换时间降低了实验的复杂度，即微波信号输出可直接连接至控制线和读取线。

多量子比特量子处理器的表征和校准需要花费大量的时间，且多量子态的并行输出能力对量子算法执行尤为重要。SHFQA 的谐振腔谱和量子态读取模式极大地简化了表征实验，且可直接输出数字化的量子态。SHFSG 高度线性的微波信号转换特性可实现保真度单比特门操作。

量子计算

• 任务：优化量子门操作的保真度，运行含或不含纠错功能的复杂量子算法，并表征其性能和极限。
• 特点：SHFSG 信号发生器频率范围覆盖直流至 8.5 GHz，可实现单比特门和两比特门。SHFSG 的双超外差技术保证了低噪声，无杂散信号可用于高保真度门操作，无需使用和校准 IQ 混频器。HDAWG 多通道任意波形发生器可输出高达 +18 dBm 的低相噪信号，结合 HDAWG-PC 实时预补偿选件可用于产生磁通脉冲以实现高保真度两比特门操作。
• 优势：QCCS 是一款高性能的产品，不断创新以引领行业发展，以满足用户不断增长的需求。

复杂量子算法的实现依赖于高保真的通用单比特和两比特门。在超导量子系统中，两比特门的保真度可能受到磁通脉冲噪声或参量两比特门的相位噪声的限制。 HDAWG 出色的噪声性能可使用户实现 99.9％ 的基于磁通变化的两比特门保真度。此外，HDAWG-PC 实时预补偿选件可最大程度地降低两比特门中量子信息的泄漏。SHFSG 的输出频率覆盖直流至 8.5 GHz，可直接用于单比特门和两比特交叉共振门，无需混频器校准。

量子态主动重置和伴随式解码

• 任务：通过改进量子比特初始化和纠错提高量子算法性能
• 特点：通过小型系统的触发连接，以及高达 100 量子比特及以上的系统的 ZSync 和 PQSC 连接，可以实现低延迟的多设备通信。 PQSC 为主动重置、全局伴随式解码和用户访问 FPGA 提供寄存器转发，以支持开发用户需要的纠错码。
• 优势：SHFQA 的实时量子态鉴别以及所有控制和读出仪器（SHFQA、SHFSG 和 HDAWG）的实时决策和分支，可通过 PQSC 同步运行最先进的反馈代码， 也就是从用于量子比特初始化的快速主动重置到表面代码的全局伴随式解码。

选择苏黎世仪器的优势 

• 受益于我们的项目合作伙伴 Andreas Wallraff 教授（瑞士苏黎世联邦理工大学ETH）和 Leonardo DiCarlo 教授（荷兰代尔夫特大学TU Delft）的开拓性工作。详情见访谈记录。
• 受益于我们的量子计算专家提供的强大技术支持，他们拥有多年从事超导量子比特工作的第一手经验。
• QCCS 作为已经验证解决方案，被多篇高影响因子文章引用（请参见下文）。
• QCCS 考虑了所有的实验阶段：启动，表征，校准和计算。
• 全面的软件包使您节省更多的时间：强大的用户图形界面，视觉化的编程过程以及持续的软件支持和更新（LabOne 和 APIs）。
• 将 QCCS 添加到您的研究计划蓝图，以集成高级量子堆栈软件 (比如Qiskit)，实现实用型量子计算机。